原標(biāo)題：基于51單片機(jī)的超聲波定位系統(tǒng)（程序+原理圖+BOM+論文）

一、引言

超聲波定位技術(shù)是利用超聲波的空間傳播特性來確定目標(biāo)具體位置的一種技術(shù)。隨著科技的不斷進(jìn)步，超聲波定位技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如機(jī)器人導(dǎo)航、汽車倒車?yán)走_(dá)、工業(yè)自動(dòng)化等。本文旨在設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于51單片機(jī)的超聲波定位系統(tǒng)，詳細(xì)介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件編程以及元器件選型等內(nèi)容。

二、系統(tǒng)概述

（一）系統(tǒng)組成

基于51單片機(jī)的超聲波定位系統(tǒng)主要由移動(dòng)端和固定端兩部分組成。移動(dòng)端包括超聲波發(fā)射電路和無線電編碼接收電路，用于向周圍發(fā)送超聲波脈沖并接收觸發(fā)信號(hào)；固定端包括微機(jī)處理器電路、超聲波接收電路和無線電編碼觸發(fā)電路，用于接收超聲波信號(hào)并進(jìn)行處理，最終確定目標(biāo)位置。

（二）工作原理

超聲波定位系統(tǒng)利用超聲波在空間中的傳播特性，通過比較三個(gè)固定位置接收裝置收到超聲波信號(hào)的時(shí)間先后，反演出超聲波發(fā)生器的具體位置，即被定位目標(biāo)的位置。當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可以通過不間斷測(cè)量，描出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

三、硬件設(shè)計(jì)

（一）核心元器件選型及功能

1. 單片機(jī)

• 選型：STC89C51/52單片機(jī)（與AT89S51/52、AT89C51/52兼容）

• 作用：作為系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)處理超聲波信號(hào)的接收、計(jì)時(shí)、計(jì)算以及與其他外設(shè)的通信。

• 選擇理由：STC89C51/52單片機(jī)具有低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且其指令系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)的8051單片機(jī)兼容，易于開發(fā)和維護(hù)。同時(shí)，該單片機(jī)具有豐富的外設(shè)接口，如I/O口、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)等，能夠滿足超聲波定位系統(tǒng)的需求。

• 功能：通過I/O口與超聲波發(fā)射和接收電路連接，控制超聲波的發(fā)射和接收；利用定時(shí)器測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間；通過中斷系統(tǒng)響應(yīng)外部觸發(fā)信號(hào)；與其他外設(shè)（如顯示屏、按鍵等）進(jìn)行通信。

2. 超聲波模塊

• 選型：HC-SR04超聲波測(cè)距模塊

• 作用：用于發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。

• 選擇理由：HC-SR04超聲波測(cè)距模塊具有探測(cè)距離精度高、性能穩(wěn)定、盲區(qū)小等特點(diǎn)。其工作電壓為5V，與單片機(jī)系統(tǒng)兼容性好；探測(cè)距離范圍為2cm~400cm，能夠滿足大多數(shù)定位場(chǎng)景的需求；同時(shí)，該模塊還提供了TRIG（觸發(fā)）和ECHO（回波）兩個(gè)引腳，方便與單片機(jī)進(jìn)行連接和控制。

• 功能：當(dāng)TRIG引腳接收到一個(gè)10us以上的高電平信號(hào)時(shí)，模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波并檢測(cè)是否有信號(hào)返回。如果有信號(hào)返回，ECHO引腳會(huì)輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。通過測(cè)量這個(gè)時(shí)間，并結(jié)合超聲波在空氣中的傳播速度，就可以計(jì)算出目標(biāo)物體的距離。

3. 顯示屏

• 選型：LCD1602液晶屏

• 作用：用于顯示測(cè)距結(jié)果、系統(tǒng)狀態(tài)等信息。

• 選擇理由：LCD1602液晶屏能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符，顯示字母和數(shù)字比較方便，控制簡(jiǎn)單，成本較低。同時(shí)，該液晶屏還具有低功耗、高對(duì)比度、寬視角等特點(diǎn)，適合用于各種嵌入式系統(tǒng)中。

• 功能：通過接收單片機(jī)發(fā)送的顯示數(shù)據(jù)，將測(cè)距結(jié)果、系統(tǒng)狀態(tài)等信息以字符的形式顯示出來。用戶可以通過觀察顯示屏上的信息，了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)距結(jié)果。

4. 按鍵

• 選型：獨(dú)立按鍵

• 作用：用于設(shè)置測(cè)距的上下限、啟動(dòng)或停止測(cè)距等功能。

• 選擇理由：獨(dú)立按鍵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、成本低廉等特點(diǎn)。通過按鍵的按下和松開，可以向單片機(jī)發(fā)送不同的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)不同的功能控制。

• 功能：當(dāng)用戶按下按鍵時(shí)，單片機(jī)通過檢測(cè)按鍵引腳的電平變化來識(shí)別按鍵操作，并根據(jù)預(yù)設(shè)的功能邏輯執(zhí)行相應(yīng)的操作，如啟動(dòng)測(cè)距、停止測(cè)距、設(shè)置測(cè)距上下限等。

5. 無線電編碼觸發(fā)電路

• 選型：基于編碼芯片的無線電觸發(fā)電路

• 作用：用于觸發(fā)各個(gè)發(fā)射點(diǎn)的超聲波發(fā)射電路，實(shí)現(xiàn)不同發(fā)射點(diǎn)的區(qū)分。

• 選擇理由：由于超聲波系統(tǒng)難以通過不同的頻率來區(qū)分不同發(fā)射點(diǎn)的信號(hào)，因此需要采用一種能夠把各個(gè)發(fā)射點(diǎn)的超聲波信號(hào)區(qū)分開來的方法。無線電編碼觸發(fā)電路通過發(fā)送帶有地址編碼的無線電信號(hào)來觸發(fā)對(duì)應(yīng)的超聲波發(fā)射電路，從而實(shí)現(xiàn)不同發(fā)射點(diǎn)的區(qū)分。

• 功能：當(dāng)固定端的無線電編碼觸發(fā)電路接收到來自移動(dòng)端的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，會(huì)根據(jù)信號(hào)中的地址編碼來觸發(fā)對(duì)應(yīng)的超聲波發(fā)射電路。這樣，不同發(fā)射點(diǎn)的超聲波信號(hào)就可以被區(qū)分開來，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。

（二）電路原理圖設(shè)計(jì)

1. 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路主要由單片機(jī)、超聲波模塊、電阻和電容等元件組成。單片機(jī)的I/O口與超聲波模塊的TRIG引腳連接，用于控制超聲波的發(fā)射。當(dāng)單片機(jī)的I/O口輸出一個(gè)10us以上的高電平信號(hào)時(shí)，超聲波模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波。同時(shí)，為了保護(hù)超聲波模塊和單片機(jī)，還需要在電路中加入適當(dāng)?shù)碾娮韬碗娙葸M(jìn)行限流和濾波。

2. 超聲波接收電路

超聲波接收電路主要由超聲波模塊、單片機(jī)、比較器和濾波電路等元件組成。超聲波模塊的ECHO引腳與單片機(jī)的I/O口連接，用于接收回波信號(hào)。當(dāng)超聲波遇到障礙物返回時(shí)，ECHO引腳會(huì)輸出一個(gè)高電平信號(hào)。為了將這個(gè)高電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，還需要通過比較器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過濾波電路去除噪聲干擾。

3. 顯示電路

顯示電路主要由單片機(jī)、LCD1602液晶屏、電阻和電容等元件組成。單片機(jī)的I/O口與LCD1602液晶屏的數(shù)據(jù)線和控制線連接，用于向液晶屏發(fā)送顯示數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。為了保證液晶屏的正常工作，還需要在電路中加入適當(dāng)?shù)碾娮韬碗娙葸M(jìn)行限流和濾波。

4. 按鍵電路

按鍵電路主要由單片機(jī)、按鍵、電阻和電容等元件組成。按鍵的一端與單片機(jī)的I/O口連接，另一端接地。當(dāng)用戶按下按鍵時(shí)，按鍵兩端的電平會(huì)發(fā)生變化，單片機(jī)通過檢測(cè)I/O口的電平變化來識(shí)別按鍵操作。為了保護(hù)單片機(jī)和按鍵，還需要在電路中加入適當(dāng)?shù)碾娮韬碗娙葸M(jìn)行限流和濾波。

5. 無線電編碼觸發(fā)電路

無線電編碼觸發(fā)電路主要由編碼芯片、無線電發(fā)射模塊、電阻和電容等元件組成。編碼芯片用于生成帶有地址編碼的無線電信號(hào)，無線電發(fā)射模塊用于將信號(hào)發(fā)射出去。當(dāng)固定端的無線電編碼觸發(fā)電路接收到來自移動(dòng)端的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，編碼芯片會(huì)根據(jù)信號(hào)中的地址編碼來生成對(duì)應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)，并通過無線電發(fā)射模塊將信號(hào)發(fā)送出去。

（三）PCB設(shè)計(jì)

在PCB設(shè)計(jì)過程中，需要考慮元器件的布局、布線規(guī)則、電源和地的處理等因素。元器件的布局要合理，盡量減少信號(hào)線的長(zhǎng)度和交叉；布線規(guī)則要遵循高速信號(hào)線短而直、低速信號(hào)線可適當(dāng)彎曲的原則；電源和地的處理要采用星形接地或多點(diǎn)接地的方式，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

四、軟件編程

（一）主程序設(shè)計(jì)

主程序是超聲波定位系統(tǒng)的核心程序，負(fù)責(zé)初始化系統(tǒng)、處理按鍵操作、控制超聲波的發(fā)射和接收、計(jì)算距離以及顯示結(jié)果等功能。主程序的工作流程如下：

1. 系統(tǒng)初始化：包括單片機(jī)初始化、超聲波模塊初始化、顯示屏初始化等。

2. 按鍵掃描：通過檢測(cè)按鍵引腳的電平變化來識(shí)別按鍵操作，并根據(jù)預(yù)設(shè)的功能邏輯執(zhí)行相應(yīng)的操作。

3. 超聲波發(fā)射：當(dāng)接收到啟動(dòng)測(cè)距的指令時(shí)，控制超聲波模塊發(fā)射超聲波信號(hào)。

4. 超聲波接收：等待超聲波模塊接收到回波信號(hào)，并通過定時(shí)器測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間。

5. 距離計(jì)算：根據(jù)超聲波的傳播時(shí)間和聲速計(jì)算出目標(biāo)物體的距離。

6. 結(jié)果顯示：將測(cè)距結(jié)果通過顯示屏顯示出來。

（二）子程序設(shè)計(jì)

1. 超聲波發(fā)射子程序

超聲波發(fā)射子程序負(fù)責(zé)控制超聲波模塊的發(fā)射功能。當(dāng)接收到發(fā)射指令時(shí)，程序會(huì)向超聲波模塊的TRIG引腳發(fā)送一個(gè)10us以上的高電平信號(hào)，以觸發(fā)超聲波的發(fā)射。

2. 超聲波接收子程序

超聲波接收子程序負(fù)責(zé)接收超聲波模塊的回波信號(hào)，并測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間。當(dāng)ECHO引腳接收到高電平信號(hào)時(shí)，程序會(huì)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)；當(dāng)ECHO引腳接收到低電平信號(hào)時(shí)，程序會(huì)停止定時(shí)器并讀取計(jì)時(shí)器的值，從而得到超聲波的傳播時(shí)間。

3. 距離計(jì)算子程序

距離計(jì)算子程序負(fù)責(zé)根據(jù)超聲波的傳播時(shí)間和聲速計(jì)算出目標(biāo)物體的距離。聲速在空氣中的傳播速度約為340m/s，通過公式s=(ttimesv)/2（其中s為距離，t為傳播時(shí)間，v為聲速）可以計(jì)算出目標(biāo)物體的距離。

4. 顯示子程序

顯示子程序負(fù)責(zé)將測(cè)距結(jié)果通過顯示屏顯示出來。程序會(huì)將測(cè)距結(jié)果轉(zhuǎn)換為字符形式，并通過I/O口發(fā)送到顯示屏上進(jìn)行顯示。

五、系統(tǒng)測(cè)試與優(yōu)化

（一）系統(tǒng)測(cè)試

在系統(tǒng)測(cè)試階段，需要對(duì)超聲波定位系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試，包括超聲波的發(fā)射和接收功能、距離測(cè)量的準(zhǔn)確性、顯示屏的顯示功能以及按鍵操作的功能等。通過測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的問題并進(jìn)行修復(fù)和優(yōu)化。

（二）系統(tǒng)優(yōu)化

為了提高超聲波定位系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行以下優(yōu)化：

1. 優(yōu)化元器件選型：選擇性能更好、穩(wěn)定性更高的元器件來提高系統(tǒng)的整體性能。

2. 優(yōu)化電路設(shè)計(jì)：對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少信號(hào)干擾和噪聲影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3. 優(yōu)化軟件編程：對(duì)軟件程序進(jìn)行優(yōu)化，提高程序的執(zhí)行效率和穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和誤差。

六、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于51單片機(jī)的超聲波定位系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件編程以及元器件選型等內(nèi)容。通過測(cè)試和優(yōu)化，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位和測(cè)距功能，具有較高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。未來可以進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和優(yōu)化，如增加更多的超聲波發(fā)射和接收點(diǎn)、提高測(cè)距精度和穩(wěn)定性等，以滿足不同場(chǎng)景下的需求。